SiC與GaN 功率器件中的離子注入技術挑戰(zhàn)

碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導體預計將在電力電子器件中發(fā)揮越來越重要的作用。與傳統(tǒng)硅 (Si) 設備相比，它們具有更高的效率、功率密度和開關頻率等主要優(yōu)勢。離子注入是在硅器件中產(chǎn)生選擇性摻雜的主要方法。將其用于寬帶隙器件處理時存在一些挑戰(zhàn)。在本文中，我們將重點介紹其中的一些，同時總結它們在 GaN 功率器件中的一些潛在應用。

01

有幾個因素決定了離子注入摻雜劑物質在半導體器件制造中的實際用途：

在占據(jù)的晶格位點中存在低電離能。Si 具有可電離的淺施主(對于 n 型摻雜)和受主(對于 p 型摻雜)元素。帶隙內(nèi)較深的能級導致電離不良，尤其是在室溫下，因此對于給定的注入劑量，電導率較差。

可以在商業(yè)離子注入機中離子化和注入的源材料?？梢允褂霉腆w和氣體源材料化合物，并且這些化合物的實際用途取決于溫度穩(wěn)定性、安全性、離子生成效率、產(chǎn)生可質量分離的獨特離子的能力、實現(xiàn)給定目標所需的能量植入深度等

表 1：SiC 和 GaN 功率器件中常用的摻雜劑種類

植入材料內(nèi)的擴散率。正常注入后工藝條件下的高擴散率可能會導致難以控制的結和摻雜劑移動到器件中不需要的區(qū)域，從而降低器件性能

激活和傷害恢復。摻雜劑激活涉及在高溫下產(chǎn)生空位，從而允許注入的離子從間隙位置移動到替代晶格位置。損傷恢復是修復植入過程中產(chǎn)生的非晶化和晶體損傷的關鍵。

表1中列舉了SiC 和 GaN 器件制造中常用的一些摻雜劑及其電離能。

SiC 和 GaN 中的 n 型摻雜都存在相對淺的摻雜物質，然而，通過離子注入創(chuàng)建 p 型摻雜的一個關鍵挑戰(zhàn)是可用元素的高電離能。

02

GaN 的一些關鍵注入和退火特性包括：

與SiC不同的是，與室溫相比，使用熱注入并沒有明顯的優(yōu)勢。

對于GaN，常見的n型摻雜劑Si可以是兩性的，即根據(jù)其占據(jù)的位置表現(xiàn)為和/或p型摻雜劑。這可能取決于 GaN 生長條件，并產(chǎn)生部分補償效應。

GaN 的 P 摻雜更具挑戰(zhàn)性，因為未摻雜的 GaN 中電子的高背景濃度需要高水平的鎂 (Mg) p 摻雜劑來將材料轉換為 p 型。然而，高劑量會產(chǎn)生高水平的缺陷，導致載流子在更深能級的捕獲和補償，從而導致?lián)诫s劑活化不良。

GaN 在大氣壓下溫度高于 840°C 時會分解。這會造成 N 的損失并在表面形成 Ga 液滴。SiO 2等覆蓋層以及各種形式的快速熱退火 (RTA) 都可以提供幫助。退火溫度通常比 SiC 所用的溫度低 (< 1500°C)。已經(jīng)嘗試了高壓、多循環(huán)RTA、微波和激光退火等多種方法。即便如此，實現(xiàn) p+ 注入結仍然是一個挑戰(zhàn)。

03

在垂直 Si 和 SiC 功率器件中，邊緣終止的常見方法是使用通過離子注入創(chuàng)建的 p 型摻雜環(huán)。如果可以實現(xiàn)這種選擇性摻雜，垂直 GaN 器件的形成同樣會變得更容易。鎂摻雜離子注入結面臨許多挑戰(zhàn)，下面列出了其中一些挑戰(zhàn)。

1.高電離勢(如表1)

2.植入過程中產(chǎn)生的缺陷可能會產(chǎn)生永久性的簇，導致失活。

3.需要相對較高的溫度(>1300°C)才能實現(xiàn)激活。這高于 GaN 的分解溫度，因此需要特殊的方法。一個成功的例子是使用N 2壓力為1 GPa 1的超高壓退火(UHPA) 。1300-1480°C 退火導致> 70% 的活化，并具有良好的表面載流子遷移率。

4.在這些高溫下，鎂擴散與受損區(qū)域的點缺陷相互作用，可導致分級結。即使采用 MOCVD 或 MBE 生長工藝，p-GaN e 模式 HEMT 中 Mg 分布的控制也是一個關鍵挑戰(zhàn)。

圖 1：通過 Mg/N 共注入提高 pn 結擊穿電壓

使用氮 (N) 與 Mg 共同注入已被證明可以改善 Mg 摻雜劑的活化并抑制擴散 [3]。作者將激活的改善歸因于 N 注入對空位聚集的抑制，這實際上是在 1200°C 以上的退火溫度下與這些空位重新結合的原因。此外，N 注入產(chǎn)生的空位對 Mg 的捕獲限制了擴散，從而導致結更陡。這一概念被用于通過全離子注入工藝制造垂直平面 GaN MOSFET 4。該 1,200 V 器件的特定通態(tài)電阻 R DSon達到了令人印象深刻的0.14 Ohms-mm 2。如果該流程能夠用于大規(guī)模制造，則可以具有成本效益，并且遵循 Si 和 SiC 平面垂直功率 MOSFET 制造中常用的工藝流程。如圖 1 所示，共注入方法的使用加速了 pn 結的擊穿。

04

由于上述問題，在 p-GaN e 模式高電子遷移率晶體管 (HEMT) 中，鎂摻雜 p-GaN 通?？梢陨L而不是注入。HEMT 中離子注入的一個應用是橫向器件的隔離。這里，已經(jīng)嘗試了各種注入物種，例如氫(H)、N、鐵(Fe)、氬(Ar)、氧(O)等。該機制主要是與損傷相關的陷阱形成機制。與臺面蝕刻隔離流程相比，該方法的優(yōu)點是器件平坦性。圖 2-1描述了所實現(xiàn)的隔離薄層電阻與注入后退火溫度的關系。如圖所示，可以實現(xiàn)>10 7 Ohms/sq。

圖 2：各種 GaN 隔離注入的薄層電阻與注入后退火溫度的關系

雖然已經(jīng)對使用硅注入在 GaN 層中創(chuàng)建 n+ 歐姆接觸進行了多項研究，但由于高雜質濃度和產(chǎn)生的晶格損傷，實際實施可能具有挑戰(zhàn)性。使用 Si 注入的動機之一是通過不使用金 (Au) 的 Si CMOS 兼容工藝流程或后續(xù)的后金屬化合金工藝實現(xiàn)低電阻接觸。

05

在HEMT中，已使用低劑量氟(F)注入，利用F的強電負性來提高器件的擊穿電壓(BV)。在2-DEG電子氣的背面產(chǎn)生帶負電的區(qū)域，其抑制源注入電子到達高場區(qū)域5。

圖 3：垂直 GaN SBD 的 (a) 正向特性和 (b) 反向 IV 顯示出使用 F 注入后的改善

GaN 中離子注入的另一個有趣的應用是在垂直肖特基勢壘二極管 (SBD)中使用 F 注入[6]。這里，F(xiàn) 注入位于頂部陽極接觸旁邊的表面，用于創(chuàng)建高電阻邊緣終端區(qū)域。如圖 3 所示，反向電流降低了 5 個數(shù)量級，同時 BV 也提高了。